Ученые создали катализатор на основе марганца для получения водорода из амин-боранов — твердых стабильных органических соединений. Такая реакция позволит использовать амин-бораны в «зеленой» энергетике для хранения и транспортировки водородного топлива. Предложенный катализатор в десятки раз эффективнее высвобождает водород, чем большинство известных комплексов на основе благородных металлов. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ) в журнале Chemical Science.
Водород — перспективный экологически чистый вид топлива. Его использование, в отличие от нефти и природного газа, не приводит к выбросу парниковых газов, а значит не способствует изменению климата. Поскольку водород — это газ, образующий взрывоопасные смеси с кислородом воздуха, чтобы использовать его в энергетике, нужны безопасные системы хранения и транспортировки. В качестве таких систем ученые предлагают использовать простые стабильные органические соединения — амин-бораны, которые состоят из атомов углерода, азота, бора и водорода.
Извлечь из амин-боранов чистый водород можно с помощью металлоорганических катализаторов. Чаще всего они содержат металлы платиновой группы, которые, несмотря на высокую активность, дороги и небезопасны для человека и животных. Поэтому химики ищут альтернативы на основе более дешевых и менее токсичных металлов, таких как марганец, железо, кобальт и никель.
Ученые из Лаборатории гидридов металлов Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН (Москва) с коллегами из Лаборатории координационной химии НЦНИ (Тулуза, Франция) разработали процесс на основе карбенового комплекса марганца для контролируемого выделения водорода из амин-боранов. Эксперименты показали, что новый катализатор в 50 раз активнее существующих аналогов на основе марганца, железа, кобальта и никеля, и в 8 раз активнее соединений платиновых металлов. Кроме того, в отличие от большинства металлоорганических катализаторов, новый комплекс не требует дополнительной активации под действием ультрафиолета или агрессивных веществ.
Затем авторы детально изучили механизм реакции, проследив за тем, как в процессе превращения изменяется количество амин-боранов в растворе. Оказалось, что, в реакционной смеси, активная форма катализатора состоит из двух марганец-содержащих молекул, образовавшихся из общего прекурсора (молекулы-предшественника): одна положительно заряженная, а другая — нейтральная. Эти соединения одновременно взаимодействуют с амин-бораном, в результате чего происходит выделение водорода.
«Мы полагаем, метод может быть адаптирован для катализаторов на основе других металлов. Это позволит использовать его для индустриально значимых процессов получения водорода, синтеза лекарственных препаратов, и переработки углекислого газа. Применительно к амин-боранам, наш катализатор внесет вклад в развитие технологий хранения и получения водорода для экологически чистой энергетики», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Екатерина Гуляева, младший научный сотрудник Лаборатории гидридов металлов ИНЭОС РАН.